阻尼车轮的降噪结构设计与应用
来源：马鞍山钢铁股份 高性能轨道交通新材料作者：邹强 江波 刘友存 陈刚摘要：概述了国外阻尼车轮的降噪结构设计特征、降噪原理与降噪效果，以及国内阻尼车轮的现状与存在的问题。
关键词：车轮；阻尼环；轮轨噪声；约束阻尼；辐板屏蔽；动力吸振器
随着我国轨道交通事业的迅猛发展，人们的出行变得越来越便利，但列车在运行过程中产生的噪声，不仅影响车内司乘人员的乘坐舒适性，也对附近居民的生活和身心健康造成影响。轨道交通的振动和噪声污染已成为影响城市环境的突出问题。
轨道噪声主要包括轮轨噪声、牵引噪声和空气动力噪声。轮轨噪声分滚动噪声、冲击噪声和曲线啸声三类。轮轨噪声在整个列车运行过程中一直存在，当列车行驶速度低于250 km／h时，轮轨噪声是轨道噪声的主要组成部分，因此降低列车运行噪声的根本措施是在声源上直接加以控制，把降噪措施放在设计阶段考虑，研制低噪声车轮。
1、阻尼车轮类型
早在19世纪末，国外就已经开展了低噪声车轮的研究与应用。目前，研究和开发的低噪声车轮主要有弹性车轮、阻尼车轮(亦称消声车轮、噪声衰减车轮)、声学优化车轮和复合材料车轮四大类。
弹性车轮的主要特征是在轮芯和轮箍之间加一个橡胶垫，起缓冲减振作用，目前主要应用在有轨电车等低速轻载轨道交通领域。与刚性车轮相比，弹性车轮的主要缺点是结构复杂、成本高。声学优化车轮的研制与安全评估成本较高，当前主要是对现有成熟轮型进行小的优化，如有大的改动可能引起行驶安全问题。复合材料车轮是指辐板部分用复合材料替换的车轮，目前仍停留在研究阶段，从未实现工业化生产。
与上述3种类型低噪声车轮相比，阻尼车轮是在现有车轮的基础上进行改造的，而且在实际应用过程中降噪效果稳定，安全可靠性相对较高，目前已经成为 降噪结构设计研究较多、应用最为广泛的低噪声车轮。从目前的研究与应用现状来看，阻尼车轮大致可分为敷设阻尼结构与外挂动力吸振器两大类。
2、降噪结构形式与应用
2．1 敷设阻尼环
阻尼环又称环形阻尼，一般呈开口式，可直接嵌入车轮轮辋心]，如图1所示。当车轮受到外界激励产生振动时，阻尼环与车轮本体之间由于干摩擦而产生阻尼效应进而起到减振降噪作用。以往的研究表明，嵌入阻尼环降噪模式在降低滚动噪声的同时还能更好地抑制曲线啸声。阻尼环车轮对车轮结构的改动最小，阻尼结构相对简单，易于实现生产制造，故应用最广泛。
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图1 阻尼环车轮结构截面示意图
近年来，国外科研人员对阻尼环材质与形式也进行了不断的改进。日本某车轮制造企业对阻尼环进行了改进，如图2所示，在原不锈钢材质阻尼环基础上进行橡校包裹或设计橡胶夹层式阻尼环。从其检测的降噪效果看，2种新型阻尼环对大于2 000 Hz的噪声有明显的抑制作用，如图3所示。
2．2辐板粘贴约束阻尼
车轮辐板是振动声辐射传播的显著部位，可通过在其表面或声辐射路径粘贴约束阻尼结构来抑制或屏蔽轮轨噪声。
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图2 改进型阻尼环设计
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图3 ]／3倍频程降噪分析
意大利某车轮制造公司设计将一种特殊的粘弹约束阻尼层粘贴到车轮表面，无需任何机械固定系统。这种阻尼处理无需改变车轮的原有设计，简单实用，其结构如图4所示，内层贴近辐板为粘弹性聚合阻尼材料，外层为铝板或钢板。在意大利ETR500高速列车上安装测试了这种阻尼车轮，结果表明，当列车速度为191～295 km／h时，沿线总噪声级别降低4．0～5．2dB(A)
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图4约束阻尼车轮
目前，我国部分高铁列车车轮就采用这种辐板覆盖式阻尼方式，但由于动车车轮辐板装有制动盘，故主要应用于拖车车轮。在国外线路应用中，意大利针对设计的局限性进行了改进，如图5所示，在轮辋位置进行约束阻尼处理，线路运行时对滚动噪声至少有4．0～5．0 dB(A)的降噪效果嘲。
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图5改进后的约束阻尼车轮
日本设计了直接在辐板上粘贴减振钢板进行降噪的车轮，如图6所示，其中辐板全覆盖式车轮的降噪效果可达7 dB(A)E 7|。
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图6车轮粘贴减振钢板
2．3 外挂动力吸振器
动力吸振器又称调谐质量阻尼器(Tuned MassDamper，TMD)，即在车轮(即主振系)上附加一个子结构(即吸振器)，其结构形式主要有分布式和层叠式2种。
在欧洲某科研项目中应用了分布式结构，车轮实际行驶降噪效果可达4～5 dB(A)，如图7所示。德国某车轮制造公司设计的VSG舌形阻尼器属于层叠式结构，如图8所示‘9|。目前国内一些高铁车辆采用了这种降噪结构形式。
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图7分布式TMD车轮
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图8层叠式7FMD车轮
3、国内现状与问题
3．1 现状
目前，我国已有19个城市开通地铁。作为阻尼车轮应用最广泛的地铁领域，新造车辆已全部使用降噪车轮，年需求量8 000 16 000件，随着国内多个城市地铁建设项目的上马，总需求量将呈上升趋势。
高速动车组用车轮方面，随着轨道交通噪声问题的日益凸现，降噪将会成为动车组车轮评价的硬性指标。目前我国高速动车组车轮降噪措施采用的是国外的辐板敷设约束阻尼与TMD降噪技术，这些阻尼构件均以标准件形式提供，有专业的组装工序与工装条件。
3．2问题与思考
(1)知识产权。国外阻尼车轮研究历史已经数十年，形成了许多专利。国内近年来对阻尼车轮的重视程度也在加大，也形成了一些专利，但实际用轮特别是高速动车组用车轮均采用国外降噪技术。要实现国产阻尼车轮产业化整体发展，必须拥有自主知识产权的产品。
(2)研制和试验手段。阻尼车轮涉及声学、非金属材料等多个领域。目前国内的车轮制造企业需要与外部资源合作，共同完成降噪结构设计、车轮降噪效果测试等工作，同时还需形成产品成本与技术的比较性优势。例如常规阻尼环车轮的阻尼环开口需要进行焊接闭合，虽然焊接工艺越来越成熟，但由于在车轮本体上操作，车轮使用客户有一定安全顾虑，此外，焊接完毕还需要对焊接部位进行打磨与探伤，增加了工序，降低了生产效率。如果阻尼环结构设计成非焊接闭合方式，将在安全性、成本上形成产品优势。
(3)可靠性分析技术。阻尼车轮是在现有车轮基础上粘贴阻尼构件，在实际应用的过程中不可避免地需要考虑其可靠性，从而提高产品推介说服力。例如，约束阻尼车轮，为验证粘贴阻尼结构在车轮高速运转条件下的可靠性，研究人员会开展撕裂试验与阻尼材料寿命测评等。因此，实现阻尼车轮的综合评价，必须对可靠性验证方式与条件进行标准化系统设计。
4、结束语
(1)阻尼车轮降噪效果稳定，安全可靠性相对较高，是目前应用最为广泛的低噪声车轮。世界知名企业均具有阻尼车轮自主开发和产业化能力，其降噪结构设计与制造水平已经成为衡量车轮制造综合实力的标志之一。
(2)国产阻尼车轮产业化整体发展，必须拥有自主知识产权的产品，实现阻尼车轮产品专业化、标准化生产。
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